一、Amdahl定律
加速=优化前耗时/优化后耗时比
公式图：
二、设计模式
1、单例模式
静态内部类的方式：
/**
* 内部类的单例模式
*/
public class StaticSingleton {
private StaticSingleton(){
System.out.println("aaa");
}
private static class StaticSingletonHolder{
private static StaticSingleton singleton=new StaticSingleton();
}
public static StaticSingleton getInstance(){
return StaticSingletonHolder.singleton;
}
}
除了反射机制强制调用私有构造函数，生成多个实例外，序列化和反序列化也可能会导致。
防止序列化的单例：
/**
* 可以被串行化的单例
*/
public class SerSingleton implements Serializable {
String name;
private SerSingleton(){
System.out.println("SerSingleton is create");
name="SerSingleton";
}
private static SerSingleton instance=new SerSingleton();
public static SerSingleton getInstance(){
return instance;
}
public static void createString(){
System.out.println("createString in Singleton");
}
//阻止生成新的实例，总是返回当前对象
private Object readResolve(){
return instance;
}
}
关键是实现了readResolve方法
2、代理模式
1、代理模式用于延迟加载
2、动态代理
动态代理是指再运行时，动态生成代理类。
注意：动态代理使用字节码动态生成加载技术，在运行时生成并加载类。
常见的有jdk动态代理，cglib和javassist三种方式。
JDK方式：
/**
* JDK的动态代理
*/
public class JdkDBQueryHandler implements InvocationHandler {
IDBQuery real=null;
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
if(real==null){
real=new DBQuery();
}
return real.request();
}
public static IDBQuery createJdkProxy(){
IDBQuery jdkProxy=(IDBQuery)Proxy.newProxyInstance(ClassLoader.getSystemClassLoader(),new Class[]{IDBQuery.class},
new JdkDBQueryHandler());
return jdkProxy;
}
}
CGLIB:
/**
* cglib方式
*/
public class CglibDBQueryInterceptor implements MethodInterceptor {
IDBQuery real=null;
@Override
public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
if(real==null){
real=new DBQuery();
}
return real.request();
}
public static IDBQuery createCglibProxy(){
Enhancer enhancer=new Enhancer();
enhancer.setCallback(new CglibDBQueryInterceptor()); //指定切入器
enhancer.setInterfaces(new Class[]{IDBQuery.class});
IDBQuery cglibQuery=(IDBQuery)enhancer.create();
return cglibQuery;
}
}
结论：jdk方式创建对象很快，但是调用方法较慢。
Hibernate中代理模式的应用：
User u=(User)HibernateSessionFactory.getSession().load(User.class,1);
System.out.print(u.getClass().getName());
System.out.print(u.getName());
以上代码中，load方法后，并没有查询数据库，在调用u.getName()时才查询的数据库，这就是Hibernate用代理模式做了延迟加载。
3、享元模式
概念：如果在一个系统中存在多个相同的对象，那么只需要共享一份对象的拷贝，而不必每一次使用都创建新的对象。
功能组件如图：
注意：享元模式时为数不多的只为了提升系统性能而生的设计模式。他的主要作用就是复用大对象，节省内存和对象创建时间。
享元模式和对象池的最大不同在于：享元模式是不能互相替代的，他们有
/**
* 报表接口
*/
public interface IReportManager {
String createReport();
}
/**
* 员工报表
*/
public class EmployeeReportManager implements IReportManager {
//租户ID
protected String tenanId=null;
public EmployeeReportManager(String tenanId) {
this.tenanId = tenanId;
}
@Override
public String createReport() {
return "this is a employee Report";
}
}
/**
* 财务报表
*/
public class FinancialReportManager implements IReportManager {
//租户ID
protected String tenanId=null;
public FinancialReportManager(String tenanId) {
this.tenanId = tenanId;
}
@Override
public String createReport() {
return "this is a Financial Report";
}
}
/**
* 享元工厂类
* 保证同一个id获取到的是同一个对象
*/
public class ReportManagerFactory {
Map<String,IReportManager> financialReportManager=new HashMap<>();
Map<String,IReportManager> employeeReportManager=new HashMap<>();
IReportManager getFinancialReportManager(String tenantId){
IReportManager r=financialReportManager.get(tenantId);
if(r==null){
r=new FinancialReportManager(tenantId);
financialReportManager.put(tenantId,r);
}
return r;
}
IReportManager getEmployeeReportManager(String tenantId){
IReportManager r=employeeReportManager.get(tenantId);
if(r==null){
r=new EmployeeReportManager(tenantId);
employeeReportManager.put(tenantId,r);
}
return r;
}
}
4、装饰者模式
装饰者（Decorator）和被装饰者（ConcreteComponent）拥有相同的接口，装饰者可以在被装饰者的方法上加上特定的前后置处理，增强被装饰者的功能。
/**
* 接口
*/
public interface IPacketCreator {
String handleContent();
}
public abstract class PacketDecorator implements IPacketCreator {
IPacketCreator iPacketCreator;
public PacketDecorator(IPacketCreator iPacketCreator) {
this.iPacketCreator = iPacketCreator;
}
}
public class PacketHTMLHeaderCreator extends PacketDecorator {
public PacketHTMLHeaderCreator(IPacketCreator iPacketCreator) {
super(iPacketCreator);
}
/**
* 将数据封装成html格式
* @return
*/
@Override
public String handleContent() {
StringBuffer sb=new StringBuffer();
sb.append("<html>");
sb.append("<body>");
sb.append(iPacketCreator.handleContent());
sb.append("</body>");
sb.append("</html>\n");
return sb.toString();
}
}
public class PacketHTTPHeaderCreator extends PacketDecorator {
public PacketHTTPHeaderCreator(IPacketCreator iPacketCreator) {
super(iPacketCreator);
}
@Override
public String handleContent() {
StringBuffer sb=new StringBuffer();
sb.append("Cache-Control:no-cache\n");
sb.append(iPacketCreator.handleContent());
return sb.toString();
}
}
使用类：
@Test
public void test3(){
IPacketCreator iPacketCreator = new PacketHTTPHeaderCreator(new PacketHTMLHeaderCreator(new PacketBodyCreator()));
System.out.println(iPacketCreator.handleContent());
}
5、观察者模式
在软件系统中，当一个对象的行为依赖于另一个对象的状态时，观察者模式就非常有用。
代码示例如下：
package com.mmc.concurrentcystudy.design.guanchazhe;
import java.util.Observable;
import java.util.Observer;
/**
* 读者类，实现了观察者接口
*/
public class Reader implements Observer {
private String name;
public Reader(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
/**
* 关注作者
* @param writerName
*/
public void subscribe(String writerName){
WriterManager.getInstance().getWriter(writerName).addObserver(this);
}
/**
* 取消关注
* @param writerName
*/
public void unsunbscribe(String writerName){
WriterManager.getInstance().getWriter(writerName).deleteObserver(this);
}
/**
* 业务方法
* @param o
* @param arg
*/
@Override
public void update(Observable o, Object arg) {
if(o instanceof Writer){
Writer writer=(Writer)o;
System.out.println(name+"知道"+writer.getName()+"发布了新书《"+writer.getLastNovel()+"》");
}
}
}
package com.mmc.concurrentcystudy.design.guanchazhe;
import java.util.Observable;
/**
* 作者类，要继承自被观察者类
*/
public class Writer extends Observable {
private String name; //作者的名称
private String lastNovel; //记录作者最新发布的小说
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getLastNovel() {
return lastNovel;
}
public void setLastNovel(String lastNovel) {
this.lastNovel = lastNovel;
}
public Writer(String name) {
this.name = name;
WriterManager.getInstance().add(this);
}
//发布新书
public void addNovel(String novel){
System.out.println(name+"发布了新书:《"+novel+"》");
lastNovel=novel;
setChanged();
notifyObservers();
}
}
package com.mmc.concurrentcystudy.design.guanchazhe;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
* 管理器，保持一份独有的作者列表
*/
public class WriterManager {
private Map<String,Writer> map=new HashMap<>();
public void add(Writer writer){
map.put(writer.getName(),writer);
}
public Writer getWriter(String name){
return map.get(name);
}
//单例
private WriterManager(){}
public static WriterManager getInstance(){
return WriterManagerInstance.writerManager;
}
private static class WriterManagerInstance{
private static WriterManager writerManager=new WriterManager();
}
}
测试方法：
@Test
public void test4(){
Reader reader=new Reader("小明");
Reader reader2=new Reader("小红");
Reader reader3=new Reader("小李");
Writer writer=new Writer("韩寒");
Writer writer2=new Writer("李敖");
reader.subscribe("韩寒");
reader2.subscribe("韩寒");
reader3.subscribe("李敖");
writer.addNovel("三重门");
writer2.addNovel("不知道");
}
三、常见的优化组件
1、缓冲
示意图：
IO操作很容易形成性能瓶颈，所以尽可能加入缓冲组件。
2、缓存
缓存是为了系统性能而开辟的内存空间。最为简单的缓存是使用HashMap，但是这样做会遇到很多问题，比如不知道合适清理无效的数据，如何防止数据过多而内存溢出。
现在有很多缓存框架，如EHCache，OSCache，JBossCache等。
3、对象复用-“池”
如果一个类被频繁的使用，那么不必每次都生成一个实例，可以将这个实例保存在一个池中，待需要的时候直接从池中获取。这个池就称为对象池。
Apache中提供了一个Jakarta Commons Pool对象池组件，可以直接使用。
API列表：
public interface ObjectPool<T> extends Closeable {
//从对象池中获取到一个对象
T borrowObject() throws Exception, NoSuchElementException, IllegalStateException;
//对象返回给对象池
void returnObject(T var1) throws Exception;
}
Common Pool中内置了3个对象池，分别是StackObjectPool，GenericObjectPool，SoftReferenceObjectPool。
-
StackObjectPool：利用Stack来保存对象，可以指定初始化大小。
-
GenericObjectPool：是一个通用的对象池，可以设定对象池的容量，也可以设定无可用对象时应该怎样，有一个复杂的构造函数来定义这些行为。
-
SoftReferenceObjectPool：使用的是ArrayList保存，保存的是对象的软引用。
使用示例：
/**
* 对象池
*/
public class PoolFactory extends BasePooledObjectFactory<Object> {
static GenericObjectPool<Object> pool = null;
// 取得对象池工厂实例
public synchronized static GenericObjectPool<Object> getInstance() {
if (pool == null) {
GenericObjectPoolConfig poolConfig = new GenericObjectPoolConfig();
poolConfig.setMaxIdle(-1);
poolConfig.setMaxTotal(-1);
poolConfig.setMinIdle(100);
poolConfig.setLifo(false);
pool = new GenericObjectPool<Object>(new PoolFactory(), poolConfig);
}
return pool;
}
public static Object borrowObject() throws Exception{
return (Object) PoolFactory.getInstance().borrowObject();
}
public static void returnObject(Object jdbcUtils) throws Exception{
PoolFactory.getInstance().returnObject(jdbcUtils);
}
public static void close() throws Exception{
PoolFactory.getInstance().close();
}
public static void clear() throws Exception{
PoolFactory.getInstance().clear();
}
@Override
public Object create() throws Exception {
return new Object();
}
@Override
public PooledObject<Object> wrap(Object obj) {
return new DefaultPooledObject<Object>(obj);
}
}
测试代码：
@Test
public void test6() throws Exception {
Object o=PoolFactory.borrowObject();
PoolFactory.returnObject(o);
Object o2=PoolFactory.borrowObject();
PoolFactory.returnObject(o2);
System.out.println(o==o2);
}
注意：只有对重量级对象使用对象池技术才能提高系统性能，对轻量级的对象使用反而会降低性能。
4、并行替代串行
5、负载均衡
为保证应用程序的服务质量，需要使用多台计算机协同工作，将系统负载尽可能分配到各个计算机节点上。
6、时间换空间
一般用于嵌入式设备或者内存，硬盘不足的情况下。
比如一个简单的例子，a和b两个变量的值的替换。最常用的方法是引入一个中间变量。为了省去中间变量可以用这样的方法：
@Test
public void test7(){
int a=3;
int b=5;
a=a+b;
b=a-b;
a=a-b;
System.out.println(a);
System.out.println(b);
}
7、空间换时间
最典型的应用就是缓存了，除了缓以外，有一些排序方法也会用到。
一个空间换时间的排序示例：
/**
* 空间换时间的排序
*/
public class SpaceSort {
public static int arrayLen=1000000;
public static void main(String[] args) {
int [] a=new int[arrayLen];
int [] old=new int[arrayLen];
Map<Integer,Object> map=new HashMap<>();
int count=0;
while (count<a.length){ //初始化数组
int value=(int)(Math.random()*arrayLen*10);
if(map.get(value)==null){
map.put(value,value);
a[count]=value;
count++;
}
}
System.arraycopy(a,0,old,0,a.length);
long start=System.currentTimeMillis();
Arrays.sort(a);
System.out.println("Arrays.sort spend:"+(System.currentTimeMillis()-start));
start=System.currentTimeMillis();
spaceToTime(old);
System.out.println("spaceToTime spend:"+(System.currentTimeMillis()-start));
}
public static void spaceToTime(int[] array){
int i=0;
int max=array[0];
int l=array.length;
//找出最大值
for (i=0;i<l;i++){
if(array[i]>max)
max=array[i];
}
int []temp=new int[max+1]; //分配临时空间
for (i=0;i<l;i++){
temp[array[i]]=array[i]; //以索引下标标识数字大小
}
int j=0;
int max1=max+1;
for (i=0;i<max1;i++){ //线性复杂度
if (temp[i]>0){
array[j++]=temp[i];
}
}
}
}
四、Java程序优化
1、字符串优化
使用StringTokenizer类分割字符串
public void test9(){
StringBuilder sb=new StringBuilder();
int len=1000;
for (int i=0;i<len;i++){
sb.append(i);
sb.append(";");
}
String str=sb.toString();
long start=System.currentTimeMillis();
StringTokenizer st=new StringTokenizer(str,";");
for (int i=0;i<10000;i++){
while (st.hasMoreElements()){
String s = st.nextToken();
}
st=new StringTokenizer(str,";");
}
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
目前来说这种方法也没快多少
2、数据结构
ArrayList和LinkedList
- 添加元素到队列尾部 ArrayList块
- 添加到任意位置 LinkedList快
删除对比：
- 在能够有效评估ArrayList数组大小时，指定容量大小能对性能有提升
- LinkedList不要用for(int i=0;i<list.size();i++)遍历，用foreach。即如果需要通过索引下标对集合进行访问，那最好用ArrayList
TreeMap和LinkedHashMap的区别。
他们都是可排序的，LinkedHashMap基于元素进入集合或者被访问的先后顺序排序，TreeMap是根据元素的固有顺序（Comparator或者Comparable）
3、优化集合访问方法
- 分离循环中被重复调用的代码
如下面的那个list.size()会多次调用。但实际上这个方法也很快
for (int i=0;i<list.size();i++){
count++;
}
len=list.size();
for (int i=0;i<len;i++){
count++;
}
- 减少方法调用
如果可以直接访问内部元素，就不用调用对应的接口。因为函数调用是需要消耗系统资源的。
4、NIO提升性能
在读写文件上使用NIO会更快
以写入4000000的int数字为例
| --- | Stream | ByteBuffer | MappedByteBuffer |
|---|---|---|---|
| 写耗时 | 295ms | 123ms | 32ms |
| 读耗时 | 433ms | 59ms | 17ms |
测试示例：
/**
* IO写文件
* @throws IOException
*/
@Test
public void test12() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
DataOutputStream dos=new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("d://1.txt")));
for (int i=0;i<4000000;i++){
dos.writeInt(i);
}
if(dos!=null)
dos.close();
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
/**
* IO读文件
* @throws IOException
*/
@Test
public void test13() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
DataInputStream dis=new DataInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("d://1.txt")));
for (int i=0;i<4000000;i++){
dis.readInt();
}
if(dis!=null)
dis.close();
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
/**
* NIO写文件
* @throws IOException
*/
@Test
public void test14() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
FileOutputStream fos=new FileOutputStream("d:/1.txt");
FileChannel fc=fos.getChannel();
ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(4000000*4);
for (int i = 0; i <4000000 ; i++) {
byteBuffer.put(int2byte(i));
}
byteBuffer.flip();
fc.write(byteBuffer);
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
/**
* NIO读文件
* @throws IOException
*/
@Test
public void test15() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
FileInputStream fin=new FileInputStream("d://1.txt");
FileChannel channel = fin.getChannel();
ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(4000000*4);
channel.read(byteBuffer);
channel.close();
byteBuffer.flip();
while (byteBuffer.hasRemaining()){
byte2int(byteBuffer.get(),byteBuffer.get(),byteBuffer.get(),byteBuffer.get());
}
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
public static byte[] int2byte(int res){
byte[] targets=new byte[4];
targets[3]=(byte)(res&0xff);
targets[2]=(byte)((res>>8)&0xff);
targets[1]=(byte)((res>>16)&0xff);
targets[0]=(byte)(res>>24);
return targets;
}
public static int byte2int(byte b1,byte b2,byte b3,byte b4){
return ((b1&0xff)<<24)|((b2&0xff)<<16)|((b3&0xff)<<8)|(b4&0xff);
}
/**
* NIO MappedByteBuffer写文件
* @throws IOException
*/
@Test
public void test16() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
FileChannel fc=new RandomAccessFile("d://1.txt","rw").getChannel();
IntBuffer ib=fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE,0,4000000*4).asIntBuffer();
for (int i = 0; i < 4000000; i++) {
ib.put(i);
}
if(fc!=null)
fc.close();
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
/**
* NIO MappedByteBuffer读文件
* @throws IOException
*/
@Test
public void test17() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
FileChannel fc=new FileInputStream("d://1.txt").getChannel();
IntBuffer ib=fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,0,fc.size()).asIntBuffer();
while (ib.hasRemaining()){
ib.get();
}
if(fc!=null)
fc.close();
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
2、直接内存访问
DirectBuffer:直接可以访问系统物理内存的类，在对普通的ByteBuffer访问时，系统会使用一个“内核缓冲区”进行间接的操作，而DirectBuffer所处的位置就相当于这个“内核缓冲区”。因此他更接近底层，更快。
但是DirectBuffer创建销毁都比较费时间，在需要频繁创建和销毁的情况下不适合用。
/**
* 使用DirectBuffer
* @throws IOException
*/
@Test
public void test18() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
ByteBuffer b=ByteBuffer.allocateDirect(500);
for (int i=0;i<100000;i++){
for (int j=0;j<99;j++)
b.putInt(j);
b.flip();
for (int j=0;j<99;j++)
b.getInt();
b.clear();
}
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
@Test
public void test19() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
ByteBuffer b=ByteBuffer.allocate(500);
for (int i=0;i<100000;i++){
for (int j=0;j<99;j++)
b.putInt(j);
b.flip();
for (int j=0;j<99;j++)
b.getInt();
b.clear();
}
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
5、引用类型
- 强引用
- 软引用
GC的时候，因为内存没满，没有被回收。
@Test
public void test20(){
MyObject myObject=new MyObject();
//创建引用队列
ReferenceQueue<MyObject> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
//创建软引用
SoftReference<MyObject> softReference=new SoftReference<>(myObject,referenceQueue);
myObject=null;
System.gc();
System.out.println("After Gc:soft get="+softReference.get());
System.out.println("分配大内存");
byte[] b=new byte[4*1024*925];
System.out.println("After new byte[]:soft get="+softReference.get());
}
- 弱引用
在GC的时候一旦发现有弱引用，直接被回收
@Test
public void test20(){
MyObject myObject=new MyObject();
//创建引用队列
ReferenceQueue<MyObject> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
//创建软引用
WeakReference<MyObject> softReference=new WeakReference<>(myObject,referenceQueue);
myObject=null;
System.gc();
System.out.println("After Gc:soft get="+softReference.get());
System.out.println("分配大内存");
byte[] b=new byte[4*1024*925];
System.out.println("After new byte[]:soft get="+softReference.get());
}
- 虚引用
虚引用是引用类型最弱的一个，他的作用在于跟踪垃圾回收。 - WeakHashMap
当需要使用HashMap做一个简单的缓存时，建议使用WeakHashMap，他是弱引用的，可以在内存满的情况下，GC时清除没有被引用的表项
6、改善性能小技巧
- 使用局部变量
调用方法时传递的参数和在方法在创建的临时变量都保存在栈中，速度较快。其他变量，如静态变量，实例变量都在堆中。
@Test
public void test21() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
int a=0;
for (int i=0;i<2000000000;i++){
a++;
}
System.out.println(a);
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
private static int ta=0;
@Test
public void test22() throws IOException {
long start=System.currentTimeMillis();
int a=0;
for (int i=0;i<2000000000;i++){
ta++;
}
System.out.println(ta);
System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
}
- 位运算代替乘除法
a*2 用a<<1
a/2 用a>>1
3. 替代switch
用数组替代switch，效率会更高
public int sw(int a){
switch (a){
case 1:return 1;
case 2:return 3;
case 3:return 5;
case 4:return 9;
default:return 0;
}
}
//用数组来实现
public int sw2(int a){
int[] array=new int[]{1,3,5,9,0};
return array[a];
}
4、复制数组用System.arraycopy
System.arraycopy时浅拷贝。对于非基本类型而言，他拷贝的是对象的引用，而非新建一个对象。
5、clone方法代替new
clone方法不会调用构造函数，所以能够快速的创造一个实例。默认情况下是浅拷贝。但是拷贝的对象修改属性，旧的对象的值可能是不会变的。
6、静态方法代替实例方法
实例方法需要维护一张类似虚拟结构表的东西以支持对多态的实现。所以比静态方法慢。